Струйный земснаряд для добычи песка: проектирование системы вокруг проекта

На палубе водометный земснаряд может выглядеть относительно просто. Имеется понтон, дизельный двигатель, песочный насос, водяной насос высокого давления, всасывающая линия и нагнетательный трубопровод. Однако на практике заставить систему производить ожидаемое количество песка — это не просто вопрос установки более мощного насоса.

Первый вопрос, который мы обычно задаем, — какой материал на самом деле находится на дне реки.

Рыхлый речной песок сильно отличается от утрамбованного. Мелкий песок ведет себя иначе, чем крупный песок, содержащий гравий. Отложения, которые кажутся легкими для извлечения с поверхности, могут стать гораздо более трудными, когда высота всасывания достигнет рабочего слоя. Состояние материала влияет на то, сколько воды потребуется для струйной обработки, сколько твердых частиц может попасть в систему всасывания и как суспензия будет вести себя внутри выпускного трубопровода.

Именно здесь начинается проектирование водометного земснаряда.

Основной принцип работы хорошо известен. Отдельный водяной насос подает чистую воду под давлением в струйную систему. Струя воды разбивает или разжижает окружающий осадок, а образующаяся песчано-водяная смесь всасывается в систему всасывания и транспортируется через нагнетательный трубопровод. В исследовании Комиссии по исследованию водных ресурсов 2002 года струйный насос описывается как система обмена импульсом: высокоскоростная струя чистой воды создает область низкого давления, которая втягивает смесь песка и воды в смесительную камеру, а затем в выпускной трубопровод. Исследование также показало, что всасывающий конец работает особенно эффективно, когда он закопан в сыпучий песок.

Этот принцип полезен, но он не дает инженеру окончательной спецификации земснаряда.

Для реального проекта цель добычи должна быть связана с глубиной выемки грунта, характеристиками материала и условиями сброса. Заказчик может сказать, что для проекта требуется 200 м³/ч песка, но одного этого количества недостаточно для выбора насоса.

Рассмотрим публично опубликованный проект в Камбодже. Заказчику потребовалось, чтобы песок был закачан с глубины около 15 м и доставлен на расстояние около 500 м к месту сброса. В опубликованной конфигурации оборудования использовался дизельный двигатель Weichai WP12 мощностью 275 кВт и песочный насос из высокохромистого сплава с заявленной производительностью песка около 200 м³/ч.

Интересная часть этого случая – это не просто цифра 200 м³/ч. Глубина выемки грунта 15 м и расстояние разгрузки 500 м делают выбор насоса и мощности целесообразным. Если бы та же производственная цель требовалась на гораздо более коротком расстоянии разгрузки, гидравлические требования были бы другими. Если бы трубопроводу пришлось подняться значительно выше после выхода на берег реки, требуемый напор насоса снова изменился бы.

Вот почему я бы не рекомендовал выбирать водометный земснаряд, ориентируясь только на расход насоса.

Выпускной трубопровод — одна из частей проекта, которую легче всего недооценить. Как только суспензия покидает земснаряд, насосу приходится преодолевать трение в трубах, подъем и местные потери из-за изгибов, клапанов и других фитингов. Ситуация становится более сложной по мере увеличения концентрации твердых веществ.

Также необходимо поддерживать баланс. Слишком большое количество воды может облегчить транспортировку суспензии, но уменьшит количество полезного песка, извлекаемого на единицу перекачиваемой смеси. Слишком мало воды может увеличить концентрацию навоза и затруднить транспортировку по трубопроводу. Правильная рабочая точка зависит от материала, диаметра трубы, характеристик насоса и требуемой производительности.

Опубликованное инженерное исследование Комиссии по водным исследованиям иллюстрирует эту связь с экспериментальной системой струйных насосов. Его проектные условия включали производительность 30 т/ч, напор подачи рабочего насоса 700 кПа, движущую трубу диаметром 100 мм, нагнетательный трубопровод диаметром 100 мм и высоту нагнетания 5 м над уровнем воды. В сообщенной конструкции также использовалась концентрация отложений примерно 31% по массе.

Цифры не следует рассматривать как универсальные характеристики для каждого водометного земснаряда. Они полезны, поскольку показывают, насколько тесно связаны между собой давление воды, диаметр трубы, условия производства, концентрации и сброса.

Другой опубликованный проект из Кении представляет собой практический пример коммерческой выемки песка. Согласно отчету проекта, заказчику требовалось около 150 тонн песка в час, расстояние выгрузки 400 м и глубина выемки грунта 18 м. Для этих требований поставщик разработал 8-дюймовый водометный земснаряд.

Опять же, важной инженерной информацией является сочетание требований, а не сам размер 8-дюймовой трубы. Нельзя автоматически ожидать, что 8-дюймовый земснаряд, предназначенный для одной реки, даст тот же результат на другой реке. Плотность песка, размер зерна, условия подводных отложений, расположение трубопровода и фактическое время работы — все это влияет на производство.

Это особенно важно при добыче песка, поскольку слово «песок» охватывает удивительно широкий спектр материалов.

Мелкий, рыхлый речной песок сравнительно легко можно разжижить. Для более крупного песка может потребоваться другое расположение струй. Если к отложению примешать глину, материал может стать липким, а не сыпучим. Гравий или более крупные частицы могут создать ряд проблем на всасывающем патрубке и внутри насоса.

Перед постройкой земснаряда также необходимо учитывать износ насоса.

Песок абразивный. Насос, перекачивающий чистую воду, и насос, непрерывно перекачивающий песчаную суспензию, сталкиваются с разными условиями эксплуатации. При промышленной добыче песка износостойкие материалы и сменные изнашиваемые компоненты могут существенно повлиять на интервалы технического обслуживания.

Полезным примером является публично освещенный проект по реке Конго. Опубликованная конфигурация включала четыре 14-дюймовых водометных пескососа с заявленной глубиной дноуглубления около 15 м и производительностью примерно 300–375 м³/ч в зависимости от заявленных условий эксплуатации. В системе использовался песочный насос из сплава с высоким содержанием хрома, и она была разработана для абразивного речного песка.

Спецификация насоса с высоким содержанием хрома в этом проекте не является ненужной деталью. Когда извлекаемый материал содержит большое количество абразивного песка, корпус насоса, рабочее колесо и другие смачиваемые детали становятся расходными деталями техники. Более низкая первоначальная цена оборудования может стать дорогостоящей, если изнашиваемые детали требуют частой замены или если земснаряду приходится регулярно останавливаться для технического обслуживания.

Тот же принцип применим и к водоструйной системе.

Сам струйный насос – не единственный важный компонент. Водяной насос высокого давления должен обеспечивать достаточный расход и давление для эффективного разжижения осадка. Размер и расположение насадки влияют на то, как вода достигает песка. Всасывающая головка должна собирать разрыхленный материал, не допуская чрезмерного разбавления или нестабильных условий всасывания.

В некоторых проектах всасывающая головка работает вблизи слоя песка или внутри него. В исследовании Комиссии по исследованию водных ресурсов особо отмечалось, что струйное дноуглубление может эффективно работать, когда всасывающий конец погружен в песок, и описывалось образование перекрывающихся воронок при выемке сыпучего песка.

Это наблюдение полезно при обсуждении эффективности дноуглубительных работ. Земснаряд не просто сидит в одном положении и удаляет неограниченное количество материала. Оператор должен контролировать движение всасывающей головки и рабочее положение, чтобы зона раскопок постепенно расширялась, а не оставляла большие объемы материала за пределами эффективной зоны всасывания.

Поэтому корпус и система позиционирования также имеют значение.

Небольшой речной земснаряд может использовать компактную понтонную конструкцию с лебедками и опорами для позиционирования. Для более крупной машины может потребоваться более широкая рабочая платформа, поскольку двигатель, песочный насос, водяной насос, гидравлическая система, топливные баки и кабина управления должны помещаться на доступном пространстве палубы, сохраняя при этом достаточную устойчивость.

Транспорт также входит в проектирование на ранней стадии, особенно для зарубежных проектов. Земснаряд, который хорошо работает на реке, все равно может быть трудно доставить, если его габаритные размеры превышают доступные транспортные ограничения. По этой причине некоторые водометные земснаряды имеют конструкцию модульных понтонов, которые можно разобрать на транспортабельные секции и снова собрать на месте проекта.

В случае международного проекта по добыче песка я обычно хочу знать несколько вещей, прежде чем принимать решение об окончательной конфигурации: требуемая производительность, фактическая глубина выемки грунта, характеристики песка, расстояние от участка выемки грунта до точки разгрузки, высота в месте выгрузки, ожидаемое рабочее время и метод, используемый для обработки или складирования извлеченного песка.

Только после того, как эти условия будут ясны, имеет смысл подбирать земснаряд, водометный насос, мощность двигателя, диаметр всасывания и напорный трубопровод.

Этот подход также объясняет, почему стандартная модель каталога не всегда является лучшим решением. Два проекта могут иметь схожие производственные цели, но требуют разного оборудования, поскольку материал русла реки и условия трубопровода различаются. В одном проекте может потребоваться больше внимания к износостойкости, в то время как в другом может потребоваться дополнительная высота нагнетания, поскольку песок должен перемещаться на большие расстояния вглубь суши.

Поэтому для производителей кастомизация – это не просто изменение размеров корпуса или марки двигателя. Это может включать всю рабочую систему: размер понтона, производительность насоса, давление струи воды, устройство всасывания, диаметр трубопровода, мощность двигателя, конфигурацию лебедки и систему управления.

Хорошо спроектированный водометный земснаряд следует рассматривать как полноценную гидравлическую производственную систему.

Последний вопрос не в том, есть ли у земснаряда большой насос или мощный двигатель. Более полезный вопрос заключается в том, сможет ли вся система поддерживать необходимое производство песка в реальных условиях проекта.

В этом разница между выбором земснаряда по каталогу и проектированием для реальной добычи песка.